Ich versuche gerade eine Platine für ein batteriebetriebenes Gerät, welches ein Wlan-Modul enthält, zu entwerfen. Eigentlich wollte ich eine Chip-Antenne verwenden und hatte auch schon den Platz auf der Platine dafür freigehalten. Die Platine ist FR4 mit 1.6mm Stärke. Das Wlan-Modul sendet mit max 18db. Eine Reichweite von 20m ist durchaus ausreichend. Erst jetzt dachte ich daran, daß der vorgesehene Akku, ein Lipo für ein Smartphone, direkt unter der Platine und somit auch unter der Chip-Antenne angebracht wird. Das wird die Abstrahleigenschaften der Chip-Antenne bestimmt wesentlich beeinflussen. Ist diese Konstruktion noch sinnvoll zu verwenden? Durch einen anderen Thread hier im Forum bin ich auf die Splatch-Antennen gestoßen. Entschärft es mein Problem, wenn ich eine solche Antenne im Winkel von 90° auf die Platine löte? Die Antenne steht ja dann quasi frei im Raum. Chip-Antenne: https://www.linxtechnologies.com/resources/data-guides/ant-xxx-chp-x.pdf Splatch-Antenne: https://www.linxtechnologies.com/resources/data-guides/ant-2.4-usp.pdf
Nachdem niemand geantwortet hat und ich auch nur in etwa deine Konstruktion abschätzen kann antworte ich mal so durch den größeren Abstand zum durch das Accupack gebildetzen Ground wird deine Antenne vielleicht nicht verstimmt, aber die Abstrahlcharkteristik dürfte sich deutlich verschieben da das Pack als Rreflektor wirken sollte. Genauere Aussagen dürften nur möglich sein wenn du die Konstruktion mal zeichnest fotografierst
Winfried, danke für Deine Antwort. Ja, es lässt schwer beschreiben. Fotos sind leider nicht möglich, da die Platine zunächst mal nur virtuell existiert. Die Platine soll in ein Gehäuse eingebaut werden. Zum Anschrauben der Platine verfügt das Gehäuse über 4 kleine "Pfeiler". Diese sind genau so hoch wie der Akku. Der Akku passt also genau zwischen Gehäuseboden und Platine und ist somit auch gleich im Gehäuse fixiert. Er nimmt die volle Fläche zwischen den Pfeilern ein. Ich kann ihn also nicht irgendwohin verschieben. Ich habe mal 2 Versionen des möglichen Platinenlayouts angefügt (jeweils Ausschnitte der Platine). Das erste zeigt die Variante mit der Chipantenne. Ich habe zwar die Masseflächen auf der Platine ausgespart, jedoch käme dann direkt darunter de Akku zu liegen. Das macht ja meines Erachtens das Aussparen der Masseflächen wieder zunichte. Sehe ich das richtig? Bei der zweiten Variante würde die Splatch-Antenne dann hochkant auf den 3 Lötpads stehen. In diesem fall habe ich die Massefläche stehen gelassen, als Groundplane sozusagen. Hätte diese Variante Vorteile?
Hallo Karsten, das ist aber ein anspruchsvolles Projekt. Der Akku wird die Antennen sicher verstimmen. Bitte überdenke Dein Design. Der Akku muss da weg und siehe in der Schaltung unbedingt ein Anpassnetzwerk (PI-Glied) vor. Wenn Du das Datenblatt der Lösung 1 Dir an siehst findest Du auf Seite 2 unter Layout Considerations: … Improper placement of planes, traces, or system components will results nulls or complete de-tuning… !! „Nulls“ sind Einzüge im Radiation Pattern und „Complete detuning“ bedeutet totale Fehlanpassung ! Ebenso bei der Lösung 2 unter Counterpoise… Also bitte Vorsicht! Kaputt gehen kann eigentlich nichts - beim heutigen Stand der Technik vertragen die Module totale Fehlanpassung (schau bitte ins Datenblatt) aber im schlimmsten Fall funktioniert die Antenne nicht und Du erzielst keine Reichweite. (Mit viel Glück schon…) Deine Antenne funktioniert ohne Anpassung sicher nur wenn • Dein Board und GND/Power Planes die Abmessungen des abgebildeten Testboards haben • Die Antenne genau auch so platziert wird • Nichts drum rum ist Tatsächlich wird aber jede Embedded-(Keramik)-Antenne durch seine Umgebung • Größe des PCBs • Größe GND / Powerplane • LP-Material • Große Komponenten (Akkus, Elkos,Trafos, Schirmbleche etc.) • Und man mag es nicht glauben: auch der Gehäuse Kunststoff durch sein er in unmittelbarer Nähe der Antenne stark beeinflusst / verstimmt. Daher geben die Hersteller (die Guten) solcher Embedded Antennen meistens entsprechende Applikation Notes für die Anpassung oder sogar Unterstützung in eigenen Labs. Ich will Dich jetzt nicht entmutigen, möchte Dir aber mal beschreiben wie man ein gutes Antennendesign hinbekommt. Schritt 1: • Auswahl der Antenne (Gibt der Hersteller Applikation Notes zum Thema Matching) • Da du schreibst Du kannst den Akku wirklich nicht verschieben, fällt mir nur der Hersteller Ethertronic (über DigiKey) ein, dessen Antennen am wenigsten durch die Umgebung beeinflusst werden. Damit könntest Du evtl. ein funktionierendes Design hinbekommen, aber auch da kommst Du um eine Anpassung nicht herum. Schritt 2: • Schaltung: Zwischen HF-IN/OUT des WLAN und der Antenne gehört ein Anpassnetzwerk (PI-Glied). Schritt 3: Aufbau eines Mock-Up: • Anpassnetzwerk, Pi Glied • Antenne in den gewünschten / gedachten Positionen, Freistellung Kupfer beachten • auf doppelseitigem PCB mit GND Plane oben und unten (mit Kupferband ringsherum verbinden) • die Großen Komponenten siehe oben, alle an GND, • Gehäuse • und kurzes Stück Semirigid Kabel mit SMA Stecker zum Messen der S11-Parameter mit einem VNA. Dabei ist das Pi Netzwerk nur mit einem 0 Ohm Richtung Antenne bestückt. Schritt 4: • Jetzt wird mit dem VNA ein S1P file der Antenne auf dem Mock-Up erstellt Schritt 5: • Simulation des Anpassnetzwerkes mit z.B.RFSim99 (Freeware) bis Du eine gescheite Anpassung besser -20db hast, später wirst Du feststellen das die Simulation immer besser ist. Schritt 6: • Bestücken der simulierten Bauteilewerte, und Messen der Anpassung besser -6dB ggf. Modifikationen / Optimierungen Schritt 7: (Nur die Voll-Profis) • Messung des Radiation Pattern und ggf. Modifikationen / Optimierungen am Mock-Up Jetzt kennst Du die Anpassschaltung, die Bauteilwerte, die endgültige Position Deiner Antenne und Du kannst ins Layout gehen, die Leiterplatte bestellen und bestücken Schritt 8: • Mit dem fertig bestücken PCB wie Schritt 6 weiter machen. Das war es. • Wenn Du kein Mock-Up hast, bitte mache die Anpassung auf dem fertigen PCB. Das Mock-Up erspart Dir aber evtl. viel Zeit, Material und damit Geld bietet Dir dagegen Freiheitsgrade in der Positionierung der Antenne. • Wenn Du keinen VNA hast, kannst Du freundlich im HF-Labor der nächsten Uni fragen. Wenn Du in der Nähe von HH wohnst können wir das evtl. am Wochenende bei mir in der Firma machen (muss ich Chef fragen). • Wenn Du Hilfe bei der Simulation brauchst, schicke mir das s1p file. Viel Erfolg & Gruß Axel
Hi Axel, vielen lieben Dank, daß Du Dir die Mühe gemacht hast, eine so umfangreiche und kompetente Antwort zu schreiben. Ein Layout für eine Digitalschaltung geht mir im Normalfall recht schnell von der Hand. Um die HF habe ich, ehrlich gesagt, immer einen großen Bogen gemacht, da sie zu oft keinen Gesetzmäßigkeiten zu gehorchen scheint. Von daher verstehe ich zwar Deine Ausführungen, jedoch werde ich das mit meinem Wissensstand nicht umsetzen können. Ich weiß, das sind keine guten Voraussetzungen für ein solches Projekt. Aber wie gesagt, das Wlan muss max. 15-20m weit reichen. Das fertige Gerätchen wird vorwiegend im Freien, bei direktem Sichtkontakt, eingesetzt. Ein gewisses Maß an Fehlanpassung werde ich mir also leisten können. Das eingesetzte Wlan-Modul ist ein RN-171 von Roving Networks. Im Datenblatt sind verschiedene Antennenkopplungen beschrieben. Unter anderem eine senkrecht angeschlossene Drahtantenne (Länge 1" +-10%, was ich sehr großzügig finde) und auch eine Chipantenne angeschlossen per Microstrip. Das habe ich versucht nachzuempfinden, allerdings per coplanar Waveguide with Ground. Habe da einen Internet-Calculator für den Leiterzug bemüht. Ich denke das größte Problem ist der verd...te Akku. Den bekomme ich aber nirgends anders unter. Ich bin ab morgen für eine Woche im Urlaub und werde erst danach weitermachen können. Mal sehen, vielleicht kommt mir ja im Urlaub noch eine zündende Idee.
Apropos Mock-Up, ich werde einfach mal Muster der Variante 2 ordern um zu sehen wie die sich schlägt. Mehr Mock-Up -Möglichkeiten stehen mir nicht zur Verfügung. Das Ganze muss auch mit einer Fertigung auf normalem zweiseitigem FR4 und ohne Impedanzkontrolle klarkommen.
Hallo Karsten, o.k. Du musst also mit dem Akku unter der Antenne klar kommen. Egal für was Du Dich entscheidest siehe unbedingt das Anpassnetzwerk (PI-Glied) in der Antennenleitung vor. Die Variante 2 ist ein Monopol als Viertelwellenstrahler der eigentlich auch senkrecht montiert funktionieren könnte. Da Du aber an der Antenne nichts ändern kannst kürzen / verlängern hast Du wenig Freiheitsgrade und es muss irgendwie klappen und getestet / gemessen ist auch noch nichts. Eine schöne Idee hätte ich noch für Deine Antennenlösung: Schau mal in das Datenblatt des WLAN-Modules. Bild 6 ist eine PCB F-Antenne dessen Struktur / Strahler durch Meander und das er ~4,1 für FR4 verkürzt worden ist. Wenn Du die Möglichkeit hast eine solche Antenne aus Draht / Blech herzustellen kann man diese für eine senkrechte Montage auf dem PCB neu berechnen. Wurzel aus er = 2 – also alle angegebenen Maße mit 2 multiplizieren. Diese kannst Du ja mal alternativ als Kombipad (also ein weitere GND Pad 2 x 85mil links vom Speisepunkt) in dem Layout Variante 2 vorsehen. Wenn die Lösung 2 nichts taugt probiere diese Antenne aus Blech / Draht einfach senkrecht über dem PCB zu platzieren. Voraus gesetzt Du hast den Platz im Gehäuse dafür. Dabei hast Du später deutlich mehr Freiheiten die Antenne zu verkürzen oder zu verlängern. Wenn das alles nicht klappt kannst Du immer noch einen lambda 4 Strahler senkrecht auf den Speisepunkt löten. Frage: Wie groß ist die Leiterplatte und die GND-Plane? Also nur Mut das klappt schon. Wenn´s ein Problem gibt melde dich hier. Schönen Urlaub & Gruß Axel
Hi Axel, nochmal Danke für Deine Bemühungen. Zwecks dem Pi-Glied würde ich Dich gern nach dem Urlaub nochmal ansprechen, wenn es Dich nicht zu sehr nervt. Gibt es dazu eine gute Internetseite auf der ich mich schon mal weiterbilden kann? Die Platine ist insgesamt 91x45mm groß. Der Bottom-Layer ist fast komplett, bis auf einige wenige Leitungen, Gnd. Die Mäander-Antenne hatte ich auch schon gesehen, sie aber verworfen, da man dort von einer 4-lagigen Platine sprach. Eine Umrechnung habe ich mir gleich abgeschminkt. Das Ganze aus Blech könnte ich mir gut vorstellen. Es gibt da wohl fotobeschichtete Messingbleche die man belichten und ätzen kann. Mhh, das wär was... Wäre da auch eine Umrechnung nötig? Ja, den Lambda/4-Draht hatte ich als Notlösung auch immer noch im Hinterkopf. Ich habe allerdings nur 16mm Höhe.nach oben, im Gehäuse zur Verfügung. Könnte man eine solche Drahtantenne auch knicken/verformen? Eigentlich sollte sie ja senkrecht stehen.
Verstehe ich das richtig, dass unter der Antenne auf der PCB Rückseite sowieso eine GND Fläche ist? D.h. Antenne und Akku sind durch diese GND Fläche eh getrennt? Wenn ja, ist´s egal. Einfach so bauen.
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